Краткое содержание
Теорема Больцано утверждает, что непрерывная функция, меняющая знак, имеет корень, а метод деления пополам находит его, получая по одному двоичному знаку при каждом делении. В этом уроке изучается способ, гораздо более быстрый, когда он работает: метод Ньютона-Рафсона, который заменяет график его касательной и берёт в качестве нового приближения точку, в которой касательная пересекает ось. Полученные так приближения определяются одно за другим для целых , а их предел понимается через определение предела при стремлении переменной к бесконечности, без теории последовательностей. Урок доказывает с помощью выпуклости вниз, что если производная не обращается в нуль и функция выпукла вниз или выпукла вверх, то итерации, начинающиеся с подходящей стороны, приближаются к корню, не перескакивая через него, и сходятся к нему; а с помощью теоремы о среднем, что значение функции, которое вычисляется, оценивает расстояние до корня, которое неизвестно. Затем на числовых примерах показывается, что число верных знаков на каждой итерации удваивается, и разбираются случаи, когда метод терпит неудачу: нулевая производная, зацикливание, расходимость. Задачи вычисляют кубические корни и обратные величины без деления, преодолевают зацикливание, исследуют двукратный корень и находят точную границу между сходимостью и расходимостью для арктангенса.
Цели обучения
- Вычислять итерации Ньютона-Рафсона для дифференцируемой функции и узнавать в них точку пересечения касательной с осью.
- Доказывать монотонную сходимость итераций, когда производная не обращается в нуль и функция выпукла вниз или выпукла вверх, и выбирать начальное приближение с подходящей стороны.
- Оценивать расстояние от приближения до корня через значение функции и оценку её производной снизу.
- Распознавать случаи неудачи метода и сравнивать его с методом деления пополам по скорости и надёжности.
Итерация
Пусть есть дифференцируемая функция, корень которой ищется, и пусть есть первое приближение. Вблизи график похож на свою касательную, , согласно определению касательной из урока о производной как пределе; на языке дифференциала из урока о производных высших порядков и дифференциале приращение близко к . Касательная пересекает ось в единственной точке, если , и естественно взять эту точку в качестве нового приближения: она находится приравниванием к нулю уравнения касательной. Повторение этой процедуры из полученной точки и есть метод Ньютона-Рафсона.
Пусть есть функция, дифференцируемая на промежутке , и есть точка из . Итерациями Ньютона-Рафсона, начинающимися с , называются числа, определяемые одно за другим формулой
пока лежит в и . Если эти условия выполняются для всякого целого , итерации образуют функцию , определённую на множестве неотрицательных целых чисел, которое не ограничено сверху, и к ней применимо определение предела при стремлении переменной к бесконечности из урока о пределах при стремлении переменной к бесконечности. Говорят, что итерации сходятся к , если , то есть если
Каждая итерация есть точка пересечения с осью касательной в : если положить и в уравнении и выразить неизвестное, получится формула из определения. Метод не требует, чтобы функция меняла знак на заданном промежутке, как метод деления пополам, а требует, чтобы она была дифференцируемой и чтобы её производная не обращалась в нуль в точках, через которые он проходит; взамен ничто не гарантирует заранее, что итерации приблизятся к корню. Ниже даны условия, которые это гарантируют.
Применить метод Ньютона-Рафсона к , начиная с . Шаги показывают первые три касательные и точки их пересечения с осью.
Доказательство
Производная равна и не обращается в нуль при . Итерация принимает следующий вид: каждое приближение есть полусумма предыдущего и числа , делённого на него. Из касательная пересекает ось в точке .
Касательная в точке пересекает ось гораздо ближе к корню.
Третья итерация имеет уже пять верных десятичных знаков. Погрешности, , составляют около , , и : каждая имеет порядок квадрата предыдущей.
Погрешность в этом примере возводится в квадрат точно. Из формулы итерации для всякого получается следующее тождество:
Следовательно, все итерации, начиная с первой, больше или равны , и если , то следующая погрешность не превосходит половины квадрата текущей: четвёртая итерация, , имеет одиннадцать верных десятичных знаков. Если заменить любым положительным числом, та же процедура вычисляет квадратные корни; она встречается уже в Метрике Герона Александрийского, в I веке, и поэтому её называют также методом Герона.
Исаак Ньютон описал свой метод для полиномиальных уравнений в 1669 году в сочинении, которое распространялось в рукописи и было опубликовано в 1711 году; Джозеф Рафсон опубликовал в 1690 году более простое изложение, а Томас Симпсон представил его в 1740 году как итерационный метод для уравнений общего вида.
Загрузка содержимого…